La caldera de recuperación HRSG

La caldera de recuperación es uno de los elementos principales en el diseño de una central de ciclo combinado, es el elemento encargado de recuperar la energía a la salida de la turbina de gas, para generar vapor a una presión y temperatura determinada, mediante una transferencia de calor del fluido caliente, el gas a la salida de la turbina de gas, al fluido frio, el agua de alimentación.

El agua que recorre el circuito cerrado de la caldera de recuperación sufre una serie de transformaciones de estado, los intercambiadores diseñados para cada uno de los tramos de transferencia que componen una caldera de recuperación, permiten que la turbina de vapor pueda trabajar en las condiciones deseadas y obtener un alto aprovechamiento energético.

A través de la actuación de la caldera de recuperación como una suma de intercambiadores en serie, el agua alcanza unas condiciones de trabajo óptimas para la turbina de vapor, la cual mediante la fuerza ejercida sobre los alabes en cada uno de los tramos de expansión, ejerza un movimiento rotativo produciendo energía mecánica la cual es aportada al generador, el encargado de producir energía.

Es el elemento más sensible a la hora de diseñar una planta de ciclo combinado. Existen diferentes tipos de configuraciones, según las condiciones de trabajo con las que estemos operando, y las necesidades a cubrir. También se debe recalcar que es uno de los elementos más importantes en la planificación a causa de su largo periodo de fabricación e instalación.

Figura 14: Esquema térmico de flujos de energía de un ciclo combinado gas-vapor. Fuente: Libro Plantas de ciclo combinado, operación y mantenimiento, OPEX Energy

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Anteproyecto de una central de generación de potencia basada en un ciclo combinado a partir de cuatro unidades de turbinas de gas.

Figura 15: Vista de una caldera de recuperación, HRSG. Fuente: Empresa SG1 Tech, modelo 3D diseño de equipos.

Como se puede observar en la figura anterior, la caldera de recuperación es una estructura de gran dimensiones, que se compone de intercambiadores de calor aleteados, que trabajan a diferentes presiones y niveles de temperatura, en relación a la turbina de vapor a la que vaya asociada., donde se produce el contacto del aire caliente y el agua del ciclo de la turbina de vapor permitiendo la transferencia de calor al circuito de vapor hasta alcanzar las condiciones de trabajo de la turbina.

Se distingue varios cuerpos, según las diferentes características y condiciones de trabajo del ciclo agua- vapor, con la que se diseñe la caldera y el lugar donde se produzca la transferencia de energía, denominados economizador, evaporador y sobrecalentador.

- Economizador: Dispositivo de intercambio de calor, que desarrolla la función de precalentamiento del fluido, previo a la evaporación.

- Evaporador: Dispositivo de intercambio de calor, en el cual, el fluido entra en condiciones cercanas al líquido saturado, y alcanza condiciones de vapor saturado, a una presión de trabajo determinada en el calderín.

- Sobrecalentador: Intercambiador que permite incrementar la temperatura del fluido por encima de la temperatura de saturación. De esta manera somos capaces de alcanzar condiciones de altas temperaturas por encima del vapor saturado.

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Anteproyecto de una central de generación de potencia basada en un ciclo combinado a partir de cuatro unidades de turbinas de gas.

La caldera de recuperación, HRSG, se compone de una serie de equipos para su correcto funcionamiento, que permiten la separación de los niveles de presión:

- Sistema de recuperación de calor, principalmente por convección, intercambiadores de tubos aleteados.

- Grupos de bombeo de alimentación, que permite trabajar a las presiones determinadas si en la caldera encontramos diferentes niveles de presión. Son bombas de alta presión.

- Calderín del evaporador. Depósito del cual se alimenta el evaporador. - Desgasificador. Elimina los gases disueltos en el agua de alimentación.

- Tanque de alimentación. Depósito donde se acumula el agua que alimenta el sistema. - Chimenea de gases a la salida de la caldera.

Las calderas de recuperación pueden ser horizontales o verticales, dependiendo de la dirección y el sentido que recorra el fluido la caldera. En la siguiente figura se puede visualizar los diferentes módulos de intercambio de calor de una caldera de recuperación aplicado a las centrales de ciclo combinado. En las centrales de ciclo combinado se suele operar con calderas horizontales a causa de la flexibilidad de operación.

Las calderas acuotubulares, son las más empleadas en el diseño de centrales de ciclo combinado, al permitir trabajar con una mayor versatilidad de presión y temperatura.

Las principales características que se deben considerar a la hora de diseñar una caldera de recuperación son:

- Definir el tipo de caldera, según los niveles de presión y temperaturas de trabajo. - Posición de cada uno de los intercambiadores.

- Caudal de trabajo que recorre la caldera en cada uno de sus niveles de presión. - Vapor producido para la producción de potencia de la turbina de vapor.

- Condiciones de trabajo del vapor producido, presión y temperatura de cada uno de los niveles. Figura 16: Caldera de Recuperación, elementos internos que la componen. Fuente: Libro Plantas de ciclo combinado, operación y mantenimiento, OPEX Energy

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Existen Parámetros de diseño característicos relacionados con la temperatura de trabajo que se produce en una caldera de recuperación:

- Pinch Point:

Denominado punto de pinzamiento, el cual está definido como la diferencia de temperaturas mínima entre el fluido caliente, los gases de escape de la turbina de gas, y el fluido frio, agua que entra en la caldera de recuperación. Diferencia de temperatura entre los gases de salida del evaporador, y la temperatura de saturación de vapor correspondiente al nivel de presión que se encuentre trabajando.

El pinch point es una medida de aprovechamiento del calor recuperado, pero se debe considerar, que es uno de los parámetros que dimensionan la superficie de intercambio, por tanto, debemos encontrar un equilibrio, energía recuperada, superficie empleada de transferencia de calor, para que resulte económicamente rentable, coste de inversión-aumento rendimiento, y generación de potencia.

- Approach point:

Denominado punto de aproximación, definido como la diferencia entre temperatura de saturación a la que se encuentra trabajando el calderín y la temperatura de entrada del agua líquida a la presión de trabajo del calderín.

Este parámetro de diferencia de temperatura se relaciona directamente con el dimensionado de la caldera, por tanto, por la superficie de contacto necesaria para realizar el intercambio, repercutiendo en las dimensiones y la inversión a realizar.

Termodinámicamente, el diseño de mayor rendimiento sería con diferencia de temperatura igual a cero, pero para condiciones de trabajo que difieren de las nominales, puede provocar que se creen evaporaciones en el economizador, que provocaría un bloqueo, por tanto, también se toma como medida de seguridad para un correcto funcionamiento a carga parcial.

Figura 17: Diagrama de intercambio de energía de entre los gases de escape y el agua-vapor de la caldera de recuperación en un ciclo combinado de un nivel de presión.

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En la figura 15, se puede observar los parámetros de diseño detallados previamente, los cuales definen un correcto diseño de las calderas de recuperación.

Considerando las diferentes características de diseño con las que se debe operar en una caldera de recuperación, podemos observar que se pueden diseñar en función de la variación de diferentes parámetros, permitiendo trabajar con un gran conjunto de posibilidades.

Las diferentes posibilidades de trabajo en una planta de ciclo combinado se definen en relación con la potencia que se desea producir en la turbina de vapor, y a la obtención del menor coste final para cada unidad de potencia generada.

El objetivo de mejora de rendimiento mediante la optimización del ciclo, centrándonos en la energía recuperada en la caldera de recuperación para trabajar en la turbina de vapor, se encuentra limitada por la temperatura ambiente, la presión de condensación y las concentraciones de humedades en las zonas finales de la turbina de vapor para evitar erosiones y rotura de los álabes.

La caldera de recuperación en este proyecto se ha considerado con 3 niveles de presión debido a su buen rendimiento de funcionamiento, y el aprovechamiento de la mayor cantidad de energía a la salida de la turbina de gas, como se puede observar en la siguiente figura en la cual está representada cada una de las etapas del sistema.

En la figura 16, se puede ver la composición interna de una caldera de recuperación, diferenciando un calderín de baja presión, en el cual se ha empleado un desgasificador para asegurar condiciones de líquido saturado al inicio del proceso, tres evaporadores en azul con 3 calderines donde se produce vapor saturado a las presiones deseadas de trabajo y los grupos de bombeo que permiten obtener las presiones de trabajo deseadas.

Figura 18: Esquema de un ciclo combinado gas-vapor con tres niveles de presión. Fuente: Teoría y Proyectos centrales térmicas de ciclos combinados.

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3.3.5 Aerocondensador.

Uno de los elementos principales de una central de ciclo combinado, que cumple la función de condensar el vapor a la salida de la turbina de vapor mediante la circulación de un fluido frio de refrigeración, el cual puede ser agua o aire, para a posteriori transportar mediante bombas de condensado el líquido al tanque de alimentación.

La función principal del condensador es la conversión del vapor en agua líquida, para poder reutilizarla en el ciclo, y permitiendo obtener unas condiciones de vacío en el ciclo y un sistema cerrado. La presión de trabajo de condensación a la salida de la turbina se produce por debajo de la presión atmosférica, para obtener un salto de entalpía mayor a la salida de la turbina, y poder obtener una mayor cantidad de energía generada.

Los sistemas de condensación pueden ser de ciclo abierto o de ciclo cerrado. Las plantas de ciclo abierto se encuentran en zonas próximas a grandes masas de agua de refrigeración, que permiten refrigerar en calor producido en la central. Los sistemas de ciclo cerrado son instalaciones de agua mediante un circuito de agua abierto.

Los principales sistemas de refrigeración de ciclo cerrado son:

- Torres de refrigeración: El condensado es enfriado por un circuito de agua, que cede calor al medio. Son sistemas que intercambian calor por contacto directo.

- Torres atmosféricas: La refrigeración del condensado, se produce utilizando las corrientes de aire de la atmósfera, de forma horizontal, donde el agua cae de forma vertical desde una gran altura.

- Torres de tiro forzado: La entrada de aire en la torre es forzada mediante ventiladores, donde entra en contacto con el agua pulverizada.

- Aerocondensadores: El calor se disipa a través de superficies aleteadas. Depende de las condiciones ambientales de temperatura exterior. Intercambiador de tubo, por el cual fluye el flujo caliente, y por el exterior, circula aire impulsado por ventiladores produciendo una convección forzada.

En base a la situación actual de déficit de agua, y las restricciones que se producen en la mayoría de las localizaciones de este tipo de plantas. Los diferentes usos energéticos que implica el agua a nivel industrial, agrícola, u residencial en este anteproyecto se contempla un sistema de refrigeración mediante aerocondensadores, también los sistemas más utilizados actualmente y con mayor desarrollo tecnológico. Actualmente los sistemas más usados para sistemas de refrigeración son los aerocondensadores, a causa:

- Escases de agua, o facilidad de suministro en las zonas donde se localizan las centrales de producción de potencia.

- Normativas medio ambientales de protección de niveles de temperatura y contaminación atmosférica, al ser el medio menos contaminante en las emisiones de CO2, a pesar de que tengan un mayor consumo energético por parte de los equipos que lo componen.

- Mayor versatilidad a la hora de localizar la central.

Los aerocondensadores se componen de una zona de intercambio de energía, formado por tubos aleteados, donde se establece un contacto térmico entre el fluido a refrigerar y el aire ambiente que actúa de refrigerante. Este proceso se produce a presiones de condensación permitiendo:

- Mayor salto de presión posible en el conjunto del ciclo, mayor capacidad de expansión por parte de la turbina.

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Anteproyecto de una central de generación de potencia basada en un ciclo combinado a partir de cuatro unidades de turbinas de gas.

- Temperatura de condensación la más baja posible, para mejorar la refrigeración del vapor de agua, con el menor trabajo posible. A altas temperaturas empeora el rendimiento del ciclo.

- Aprovechamiento de la gravedad para la deposición del fluido.

Figura 19: Representación de un Aerocondensador con estructura en A. Fuente: Mejora de Eficiencia y Optimización de Equipos.

Las especificaciones a la hora del diseño de un aerocondensador deben ser:

- Equipos de grandes dimensiones, por tanto, debe estar definido el espacio disponible a la hora de la localización y la conexión próxima a la turbina de vapor.

- Equipos de alto nivel de ruido.

- Equipos sometidos a condiciones ambientales.

- Número de ventiladores necesarios, en relación con la velocidad del aire y el calor a disipar. - Grandes estructuras de suportación.

- Presión de trabajo.

- Altura de la planta respecto al mar. - Temperaturas ambientales de trabajo.

Figura 20: Aerocondensador instalado en una central de ciclo combinado. Fuente: Mejora de Eficiencia y Optimización de Equipos.

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El uso de aerogeneradores se ha optimizado y ha avanzado mucho en los últimos años, y se han reducido mucho los consumos de energía para su uso, permitiendo mayores rendimientos en la central.

Los equipos auxiliares que forman un aerocondensador:

- Ventiladores.

- Motores de transmisión. - Líneas de distribución de vapor. - Equipo de extracción de condensados.

- Grupo de bombeo de condensados hasta el tanque de alimentación. - Sistema antihielo.

- Tanque de condensado. - Instrumentación y control.